Los costes por consumo eléctrico cada vez son más elevados en la industria. La energía neumática es habitualmente una de las partidas principales en la factura eléctrica, por lo que mejorar la eficiencia energética en la producción de aire comprimido debe ser uno de los objetivos principales de una empresa a corto plazo.
Aplicando todas las recomendaciones reflejadas en este artículo es posible ahorrar anualmente miles de euros, como pueden atestiguar las empresas donde ya se han implementado. No siendo necesario que sea una instalación nueva de aire comprimido, también se pueden implementar la mayoría de las recomendaciones en instalaciones ya existentes.
Para estudiar las posibles mejoras a realizar en una instalación de aire comprimido, existente o en proyecto, debemos considerar distintos apartados que nos ayudarán a obtener considerables ahorros.
Sala de compresores
Este punto es fundamental para obtener una eficiencia energética óptima. Para definir correctamente los equipos que deben configurar el conjunto de producción de aire comprimido es necesario conocer los caudales de consumo de la instalación. Por lo que hay que obtener los datos del caudal punta y de los caudales medios de consumo (alto – medio – bajo) a lo largo de las horas de cada tipo de jornada de trabajo. Si es una Planta ya en funcionamiento, se realizará una medición con un video-registrador, caudalímetros, sensores de presión, medidores de potencia, …
Para definir los compresores debemos tener en cuenta una premisa fundamental: En una Planta de producción donde el aire comprimido es imprescindible, siempre debe existir un compresor en reserva para compensar la parada imprevista de otro compresor. Por tanto, una sala de compresores siempre debe tener al menos 2 unidades de compresor.
También hay que tener en cuenta que existen cuatro configuraciones básicas de compresores para un determinado caudal Q: 1 compresor de velocidad fija para caudal libre Q; 1 compresor de velocidad variable para caudal libre máximo Q; 2 compresores de velocidad fija, ambos para caudal libre Q/2; 1 compresor de velocidad fija + 1 compresor de velocidad variable, ambos para caudal libre Q/2. Si estudiamos las curvas de eficiencia de las cuatro configuraciones comprobaremos los siguientes puntos:
- 1 compresor de velocidad variable es más eficiente que un compresor de velocidad fija hasta el 85% del caudal Q. A partir del 85% es más eficiente el compresor de velocidad fija
- 1 compresor de velocidad variable es menos eficiente que 2 compresores de velocidad fija de la mitad de potencia. Tan sólo es algo más eficiente el compresor de velocidad variable en el rango de caudal Q entre el 52% y el 78%.
- La configuración más eficiente es la de 2 compresores de la mitad de potencia, uno de velocidad fija y el segundo variable. Tan sólo es algo más eficiente la configuración con 2 compresores de velocidad fija, también de la mitad de potencia, en los rangos de caudal Q entre el 42% y el 51%, y entre el 92% y el 100%
Conforme a todas estas premisas, y teniendo en cuenta la medición o el estudio que se haya realizado, se determinará la configuración de unidades de compresor. En un número elevado de instalaciones, la configuración más eficiente es la formada por 2 unidades de compresor de velocidad fija y 1 compresor de velocidad variable. La configuración del sistema de compresores tiene que ser capaz de proporcionar el caudal máximo de consumo y asegurar el funcionamiento de la Planta a pleno rendimiento, teniendo una unidad de compresor siempre parada en reserva. En el caso de las instalaciones hospitalarias es necesario por Normativa el que haya siempre como mínimo 2 unidades en reserva.
Los ajustes para la regulación de trabajo de los compresores son muy importantes. Es aconsejable el uso de un control inteligente que optimice el funcionamiento seleccionando en cada ciclo los compresores más eficientes. Aunque también se pueden realizar los ajustes manualmente en cada unidad, para conseguir la máxima eficiencia, eliminando los tiempos de trabajo en vacío de los compresores de velocidad fija.
Por ejemplo, en el caso de una instalación con 2 compresores de velocidad fija y 1 compresor de velocidad variable, el funcionamiento de los equipos debe ser programado para que con consumos bajos trabaje sólo el compresor de velocidad variable, modulando el caudal para mantener los valores de presión necesarios. Con consumos medios y altos, cuando ya no sea suficiente el caudal producido por el compresor de velocidad variable, debe trabajar uno de los compresores de velocidad fija en carga al 100% y el compresor de velocidad variable complementar el consumo modulando su caudal hasta completar la demanda. De este modo, siempre una unidad de compresor estará en reposo, entrando en funcionamiento en caso de parada imprevista de uno de los otros dos compresores con el fin de asegurar la continuidad de suministro de aire comprimido.
Presión de trabajo de compresores
La presión de trabajo de los compresores es otro de los puntos importantes a tener en cuenta para mejorar la eficiencia energética de un sistema de compresores. Por cada bar de presión que se reduzca la presión de trabajo, conseguiremos reducir del orden de un 7% el consumo de potencia eléctrica. Como ejemplo, un compresor con consumo específico de 7,13 kW/m3/min a 8 bar de presión, tiene a 7 bar un consumo específico de 6,59 kW/m3/min.
Así, lo primero que habrá que seleccionar son compresores con una presión máxima de trabajo lo menor posible. Por ejemplo, mientras un compresor con presión máxima de trabajo de 8 bar tiene un consumo específico de 7,13 kW/m3/min, con presión máxima de 10 bar tiene un consumo específico de 8,03 kW/m3/min, y con presión máxima de 13 bar tiene un consumo específico de 9,42 kW/m3/min. Es evidente, que si en una instalación la presión máxima necesaria en los puntos de consumo es 6,5 bar o menor, no tendría ningún sentido instalar compresores con una presión máxima de trabajo superior a 8 bar. En el caso de que hubiera algún punto de consumo con una presión mayor, por ejemplo 8,5 bar, suele ser más eficiente instalar un sistema multiplicador de presión para ese punto que utilizar compresores con mayor presión de trabajo. Se debe estudiar cada caso en particular y decidir según las presiones de trabajo y los caudales en los puntos de consumo.
Presión de carga/vacío de compresores
Como consecuencia de lo explicado anteriormente, también es muy importante el diferencial de presión carga/vacío de los compresores de velocidad fija, así como la presión de consigna que se fije en los compresores de velocidad variable. Cuanto menores sean los diferenciales y las presiones de trabajo se obtendrá una mayor eficiencia energética.
Para poder reducir el diferencial de presión en compresores de velocidad fija y mejorar la estabilidad del sistema de aire comprimido se debe dimensionar el volumen del depósito de la instalación. Para dimensionarlo hay que tener en cuenta si existen consumos puntuales elevados que sean superiores al caudal máximo producido por los compresores. Y se tiene que considerar el caudal producido por los compresores, así como el número de ciclos/hora carga/vacío y el diferencial de presión en los compresores de velocidad fija.
Un diseño y dimensionamiento adecuado del tratamiento del aire comprimido también es muy importante para conseguir la máxima eficiencia energética del sistema, si tenemos en cuenta que existen pérdidas de presión en todos los componentes del tratamiento y que cada bar de presión equivale a un 7% del consumo eléctrico de los compresores.
Secadores frigoríficos o de adsorción
Los elementos más habituales del tratamiento son los secadores frigoríficos o de adsorción, los filtros de línea y los purgadores automáticos.
Los secadores frigoríficos tienen que dimensionarse en capacidad para el caudal máximo de consumo que pueda circular por ellos, teniendo en cuenta los factores de corrección por presión de entrada del aire comprimido, temperatura ambiente y temperatura de entrada del aire comprimido en el secador. Siendo lo más recomendable para caudales medios y elevados instalar secadores frigoríficos para sistemas con consumos variables, los cuales incorporan un variador para el ventilador y otro variador para el compresor de refrigeración, reduciendo los consumos eléctricos en función del caudal que circula por el secador y de las condiciones ambientales, asegurando un punto de rocío constante. Con este tipo de secadores frigoríficos se puede ahorrar hasta el 80% de los costes operativos al funcionar con cargas parciales.
Los secadores de adsorción también tienen que dimensionarse para el caudal máximo de consumo que pueda circular por ellos, teniendo en cuenta los factores de corrección por presión de entrada del aire comprimido y temperatura de entrada del aire comprimido en el secador.
Los secadores de adsorción realizan el secado por medio de un adsorbente sólido de naturaleza regenerable, que retiene en un ciclo de adsorción el vapor de agua contenido en el aire comprimido, eliminando este vapor mediante un segundo ciclo de desadsorción al ser sometido dicho adsorbente a un adecuado proceso de reactivación. Los secadores están constituidos por dos torres que contienen la respectiva carga de adsorbente. Una secuencia de alternancias cíclicas de secado y de regeneración en el par de torres permite disfrutar de un flujo continuo e ininterrumpido de aire comprimido seco que a su salida se entrega a la red de distribución. El punto de rocío que puede obtenerse con este tipo de secadores varía según el sistema y material adsorbente, pero en términos generales fluctúa desde – 20 ºC a – 80 ºC, medidos sobre el aire comprimido una vez distendido a presión atmosférica y partiendo de una presión tipo, por ejemplo 7 bar.
Para la regeneración del material adsorbente existen distintas formas que nos definen el tipo de secadores de adsorción. Los tipos principales son los siguientes:
- por soplado con aire comprimido
- por regeneración térmica
- por vacío, con sistemas externos.
- por soplado a baja presión, con sistemas externos.
Energéticamente la solución óptima varía para cada instalación dependiendo de las horas anuales de trabajo o uso, y del consumo de caudal de aire comprimido. En numerosas ocasiones resulta muy rentable que el secador de adsorción disponga de sistema de control del punto de rocío, ya que combinándolo con la instalación de un secador frigorífico previo se aumentarán los tiempos de ciclo de las torres con el consiguiente ahorro energético. Esta solución de control del punto de rocío en la regeneración por soplado es el sistema que reduce más los costes operativos junto con el sistema de regeneración por vacío, aplicado este último habitualmente para grandes caudales y prolongadas horas de trabajo. Otra ventaja de este sistema es que al tener el secador de adsorción los ciclos de regeneración más largos, debido a la menor entrada de cantidad de vapor de agua, es muchísimo menor el desgaste de las piezas y del material desecante, con el consiguiente ahorro económico.
Los filtros de línea y los purgadores automáticos
Los filtros de línea son otro elemento fundamental en una sala de compresores. Configurar correctamente un conjunto de filtración es muy importante para obtener ahorros energéticos. Si los filtros no son los adecuados se producirá una pérdida de presión que obligará a que los compresores trabajen con una presión de trabajo superior, y por cada bar que se aumente la presión de trabajo de los compresores tendremos un 7% más de consumo de potencia eléctrica.
Para dimensionar correctamente los filtros de línea se deben tener en cuenta la presión de entrada del aire comprimido, el caudal máximo que puede circular por ellos, y los diámetros de la tubería y secador donde estén instalados.
También es muy importante realizar los cambios de los elementos filtrantes cuando empiecen a estar saturados, ya que según se vayan colmatando aumentará la pérdida de carga del filtro y por tanto el consumo eléctrico de los compresores al trabajar a una presión superior. En la mayoría de los casos, el gasto eléctrico que se genera es superior al coste de los elementos filtrantes.
Los purgadores automáticos son otra parte esencial dentro de la sala de compresores. Están instalados en el punto de purga de los separadores de agua, depósitos, secadores, filtros y colectores. Existen 3 tipos principales de purgadores automáticos: mecánicos, temporizados por electroválvula y capacitivos. Para que un purgador automático sea energéticamente eficiente no debe tener pérdidas de aire en su modo de funcionamiento.
Los purgadores mecánicos con su uso acumulan un desgaste en su sistema de cierre que origina fugas continuas de aire al no realizar un asiento apropiado. También, cuando junto con el condensado se depositan partículas en el sistema de cierre del purgador automático se provoca una fuga continua de aire hasta que este sea limpiado, al impedir las partículas que se realice correctamente el asiento en el sellado de cierre.
Los purgadores temporizados mediante una electroválvula disponen de 2 regulaciones, una temporización del intervalo entre purgas y otra temporización del tiempo de apertura de la válvula. La formación de condensado en el aire comprimido es variable, dependiendo de la temperatura y de la humedad del aire ambiente que aspiran los compresores. A mayor temperatura, más capacidad tiene el aire para contener vapor de agua. Los purgadores temporizados provocan pérdidas de aire comprimido si el tiempo de apertura es superior al necesario para la evacuación de los condensados, pero puede quedar condensado sin evacuar si el tiempo es inferior al necesario para la evacuación total de los condensados existentes. Además, los purgadores temporizados no incorporan una señal de alarma y por tanto no avisan cuando tienen una avería. Por lo que, si esta sucede, el purgador se quedará abierto generando una pérdida continua de aire comprimido.
Los purgadores capacitivos son un sistema de purga sin pérdidas de aire comprimido. Por tanto, es el tipo de purgador automático energéticamente más eficiente. Estos purgadores automáticos aseguran una evacuación de condensados ajustada a la cantidad de condensado existente mediante un sensor de nivel capacitivo, su sistema electrónico inteligente previene las pérdidas de aire comprimido y minimiza el consumo de energía. Este tipo de purgador capacitivo sin pérdidas de aire comprimido puede suponer frente a los otros tipos de purgadores automáticos un ahorro anual de más de 700 €, por lo que está completamente justificada su instalación si tenemos en cuenta que en la mayoría de las salas de compresores hay como mínimo 4 purgadores automáticos. Otra ventaja importante de los purgadores capacitivos, al drenar el condensado por acumulación, es que evitan la formación de emulsionados de aceite en los condensados, hecho que no ocurre con los purgadores temporizados por electroválvula.
Red de Aire Comprimido
La red de aire comprimido es otro elemento fundamental para tener una eficiencia óptima en una instalación de aire comprimido. Cuando se inicia el estudio de una red de aire comprimido hay que ser conscientes de que esa instalación debe ser usada por muchos años. Una red de aire comprimido no es una instalación que se cambie habitualmente. También, a la hora de dimensionarla, debemos tener en cuenta que 1 bar de pérdida de presión nos va a provocar que los compresores trabajen con una presión de 1 bar superior a la necesaria, lo que implicará un 7% más de consumo de energía eléctrica. Por tanto, se debe definir y calcular la pérdida de carga admisible de la red de aire comprimido sabiendo que cuanto menor sea ésta más ahorro energético va a producir, conforme a la regulación efectiva de trabajo de los compresores que se aplique.
Es importante también para que la pérdida de presión de la red de aire comprimido sea mínima, el realizar una selección adecuada de los materiales con los que ejecutarla. La tubería del aire comprimido debe tener el menor coeficiente de rugosidad posible, así como el paso máximo para evitar pérdidas de caudal y presión. La tubería y los componentes de la red de aire comprimido deben tener las mejores prestaciones en materia de resistencia mecánica a la presión y los choques, y características que nos permitan asegurar un aire limpio y de calidad que no se contamine en su circulación por la red de aire comprimido. Además, se debe verificar que las uniones sean seguras y sólidas, descartando de este modo la aparición de futuras fugas por desgaste o deterioro de las uniones.
Los materiales más habituales para realizar la instalación de una red de aire comprimido y con un menor coeficiente de rugosidad son el acero inoxidable y el aluminio extrusionado. Siendo el acero inoxidable el material con menores pérdidas de presión por rugosidad, aproximadamente un 20 % inferior al aluminio. Otras tuberías de frecuente uso en las redes de aire comprimido son el acero negro y el acero galvanizado, donde las pérdidas de presión por la rugosidad de los materiales llegan a ser con su uso y la oxidación que se produce hasta casi el triple en comparación con las redes de acero inoxidable o aluminio.
Otro de los factores a tener en cuenta al diseñar la instalación es la clase de uniones de la tubería. En la tubería de acero inoxidable las uniones pueden ser no permanentes mediante prensado hasta diámetros de 108 mm, o bien pueden ser uniones permanentes mediante soldadura para una gama mayor de diámetros. Ambos tipos de unión son válidos, fiables y duraderos. En la tubería de aluminio las uniones son siempre no permanentes, mediante racores de unión específicos de cada fabricante. En la tubería de aluminio el mayor diámetro es de 168 mm. Es un tipo de unión válida, fiable y duradera, con la ventaja además de ser reutilizable pudiendo desmontarla y realizar futuras modificaciones en su trazado. Tan sólo hay que desaconsejar el uso de racores plásticos de unión ya que generan pérdidas por fugas cuando llevan un tiempo instalados. En las tuberías de acero negro y de acero galvanizado hay una amplia gama de diámetros. Las uniones en la tubería de acero negro son permanentes mediante soldadura, siendo fiables y duraderas. En la tubería de acero galvanizado las uniones son no permanentes, roscadas mediante racores de unión, no siendo fiables ya que con el tiempo aparecen fugas en las uniones roscadas.
Como se ha mencionado antes, para realizar un correcto diseño de la red de aire comprimido hay que dimensionar los diámetros de la instalación para un alto rendimiento del caudal con el fin de obtener la mayor eficiencia, y teniendo en cuenta las posibles ampliaciones futuras. El cálculo de los diámetros de la red de aire comprimido se realizará en función de la presión de trabajo, el máximo caudal de consumo y la longitud de la red. Siempre que sea viable, el trazado de la instalación se debe realizar en un anillo cerrado para igualar presiones. Esto nos permitirá reducir el diámetro de la tubería. En una red de aire comprimido abierta, con trazado lineal, se puede reducir la pérdida de presión con la instalación de depósitos acumuladores debidamente calculados, bien en un punto final de la instalación o bien en puntos medios de la misma. Los depósitos también se deben instalar en zonas con consumos puntuales elevados, y en combinación con un multiplicador de presión si existe algún punto de la instalación con una presión de trabajo superior a la presión máxima de servicio de la instalación.
También se deben evitar en la medida de lo posible dentro del trazado de una red de aire comprimido los codos, curvas, tés, …, ya que todos estos elementos originan pérdidas de carga. Asimismo, no se deben introducir en el diseño de la red reducciones bruscas de la sección de la tubería, ya que aumentarán la velocidad de circulación del aire comprimido con la consiguiente pérdida de presión.
Además del diseño de la red general de la instalación de aire comprimido, hay que dimensionar correctamente las bajantes de las tomas de aire para evitar pérdidas en los puntos finales de consumo. Estos puntos de trabajo deben estar bien alimentados neumáticamente, ser accesibles y ergonómicos, y tener una conexión segura, fiable y rápida mediante un enchufe de seguridad. Tanto el diámetro de la tubería de la bajante como los accesorios finales de la toma de aire comprimido (filtro, regulador, enchufe, …) deben estar dimensionados para el consumo puntual máximo que pueda circular por ellos para evitar las pérdidas de presión. La mayoría de las fugas en las instalaciones están situadas en las máquinas y en los puestos de trabajo posteriores a las bajantes, por lo que es recomendable instalar sistemas automáticos de cierre en las bajantes que impidan el consumo de aire por fugas cuando no se esté trabajando en ese punto. Además, todos los puntos de consumo deben tener reguladores de presión para reducir lo máximo posible la presión de trabajo. Como ejemplo, un soplador con un diámetro de orificio de 2 mm a 4 bar tiene un consumo de 181 l/min, mientras que a 7 bar tiene un consumo de 288 l/min.
